水的密度、比重及熱膨脹係數

概述

密度是質量與體積的比值：

$\rho = \frac{m}{V}$

其中 $\rho$ 是密度，$m$ 是質量，$V$ 是體積。密度通常以 g/cm^3、kg/m^3、lb/ft^3 或 sl/ft^3 表示。

純水在 4 degC (39.2 degF) 時達到最大密度，約為 1000 kg/m^3 或 1.940 slug/ft^3。高於此溫度時，密度隨水膨脹而降低。

比重是重量與體積的比值：

$\gamma = \frac{m g}{V} = \rho g$

其中 $\gamma$ 是比重，$g$ 是重力加速度。標準重力通常取為 9.80665 m/s^2 或 32.17405 ft/s^2。

對於在 SI 單位下 4 degC 的水：

$\gamma = 1000 \; \text{kg/m}^3 \times 9.807 \; \text{m/s}^2 = 9807 \; \text{N/m}^3 = 9.807 \; \text{kN/m}^3$

在英制工程單位中，39 degF 時的水密度約為 1.940 sl/ft^3：

$\gamma = 1.940 \; \text{sl/ft}^3 \times 32.174 \; \text{ft/s}^2 = 62.4 \; \text{lbf/ft}^3$

線上水密度計算器

原始頁面包含一個液態水密度計算器，根據給定溫度報告密度為 g/cm^3、kg/m^3、lb/ft^3、lb/gal(US liq) 和 sl/ft^3。原始有效溫度範圍為 0-370 degC、32-700 degF、273-645 K 和 492-1160 degR。

以下計算器使用標準大氣壓近似值，適用於普通液態範圍附近的液態水。對於設計工作、高於 100 degC 的飽和條件或高壓情況，請使用列表中的值。

變數

互動式密度圖表

原始頁面包含三張密度圖：水密度與 degC 溫度的關係、水密度與 degF 溫度的關係，以及高壓下密度與溫度的關係。以下圖表根據原始列表數據重建這些圖像數據集，以便互動檢查曲線。

degC 下的密度、比重及熱膨脹

0-100 degC 的值是在 1 大氣壓 下。100 degC 以上的值是在飽和壓力下。

密度、比重和熱膨脹（華氏度）

從 32-212 華氏度 的值是在 1 大氣壓 下。212 華氏度 以上的值是在飽和壓力下。

在 1000 磅每平方英寸下的密度和比重

原始表格提供了在 1000 磅每平方英寸（68.1 大氣壓） 下的水密度和比重。在此壓力下，資料來源中註明的沸點為 284.8 攝氏度（544.58 華氏度）。

在 10000 磅每平方英寸下的密度和比重

單位轉換和範例

每美國加侖的重量基於 7.48 加侖/立方英尺。

一個美國液體加侖等於：

• 3.7854 l
• 0.8327 gal(UK)
• 0.8594 gal(US dry)
• 0.1074 bu(US dry)
• 0.4297 pk(US dry)
• 4 qt(US liq)
• 8 pt(US liq)
• 16 c(US)
• 32 gi(US liq)
• 128 fl oz(US)
• 1024 fl dr(US)
• 3.7854e-3 m^3
• 0.1337 ft^3
• 4.951e-3 yd^3

密度轉換自 1 kg/m^3：

原始頁面中的範例 2 轉換水在 20 攝氏度的密度：

$998.21 \; \text{kg/m}^3 \times 0.0005780 = 0.5797 \; \text{oz/in}^3$

範例 3 計算水槽中水的質量。一個體積為 10 m^3 的水槽含有 190 華氏度的熱水。從華氏度表格中，密度為 966.8 kg/m^3：

$10 \; \text{m}^3 \times 966.8 \; \text{kg/m}^3 = 9668 \; \text{kg}$

原始來源圖片

以下原始來源圖片已保存，以避免丟失視覺參考資料。當圖片包含圖表或表格數據時，其提取的值已在頁面表格、計算器或互動圖表中呈現；其餘圖片作為視覺來源參考保留。

工程筆記

• 密度與溫度的關係不是線性的。因此，體積膨脹係數在整個溫度範圍內並非常數。
• 水在 4 攝氏度附近密度最大。這種異常現象在流體靜力學、自然對流、防凍保護和儲罐計算中很重要。
• 在正常沸點以上，1 大氣壓的表格不再是大氣壓力下的液態水數據；原始來源報告的是飽和壓力下的值。
• 壓力增加液態水的密度。壓力圖表和高壓表格顯示了 1 大氣壓或飽和、1000 psi 和 10000 psi 之間的差異。
• 在美制慣用表格中，lbm/ft^3 和 lbf/ft^3 在標準重力下數值相似，但密度和比重是不同的物理量。

參考資料

• 工程工具箱 - 水密度、比重和熱膨脹係數
• 原始圖片資料集已從 water_density_C.jpg、water_density_F.jpg 和 Water_density_temp_pressure_F.jpg 恢復為互動圖表。